Что такое карбон или углепластик - общая информация

Преимущество карбона перед другими материалами; ; Graphite PRO

Преимущество карбона перед другими материалами связанно с его выдающимися свойствами. В первую очередь это малый вес и вместе с тем потрясающая прочность, так же высокая стабильность и отличная сопротивляемость усталости. Сочетание всех этих достоинств в одном материале и делает его уникальным и незаменимым во многих отраслях.

Чтобы лучше понять, как один материал может обладать таким количеством замечательных свойств, необходимо знать, что такое карбон из чего и как его получают.

Карбон, он же углепластик, он же графит – чаще всего под этим термином подразумевают изделие, сделанное из композитного материала с применением углеволокна.

Композит подразумевает сочетание двух и более компонентов с разными свойствами. Например, папье-маше (волокна бумаги и клей), древесина (волокна целлюлозы и лигнин), армированные пластики (полимер и усиливающий материал), железобетон (металлический каркас и бетон).

Сами по себе компоненты этих материалов не обладают какими то уникальными прочностными характеристиками, но выступая в союзе, придают материалу новые свойства, где лучшие стороны одного материала дополняют лучшие стороны другого. Композитами можно считать практически все структуры, все ткани организмов растительного и животного мира. Поэтому, можно смело утверждать, что все самые совершенные материалы являются композиционными.

В армированных пластиках на основе углеволокна в роли матрицы (полимерного связующего) выступает смола (полиэфирная, винил эфирная, эпоксидная, реже другие смолы), а усиливающую основу составляют, располагающиеся в ней, углеволокна.

Смола удерживает волокна в заданном положении, т.е. поддерживает форму и задает начальную характеристику пластика. Волокна же, обеспечивают повышенные механические и физические свойства.

Само углеволокно, производят из линейного полимера акрилонитрила (один из распространенных способов), аморфного вещества белого цвета. Вещество обрабатывается в автоклаве под большим давлением и высокой температуре. Температурная обработка состоит из нескольких условных этапов, которые обобщенно можно назвать – обугливанием синтетического волокна.

Первый – представляет собой нагрев исходного (вискозного или полиакрилонитрильного) волокна при высокой температуре, при этом происходит его обугливание.

Второй – «стадия карбонизации» — нагрев волокна в среде инертного газа при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование углеродных структур и удаление посторонних включений.

Третий – заключительная стадия графитизации – процесс термической обработки в инертной среде при температурах 1600-3000°С. На этой стадии происходит насыщение волокна углеродом и его содержание доводится до максимальной величины. Чем большей температуре подвергается волокно и дольше обрабатывается в печи, тем более качественным, и дорогим оно становится.

Так создаются очень тонкие волокна (около одного микрона в диаметре), имеющие чрезвычайно высокую осевую силу. Эти волокна сплетаются в нити, которые могут быть однонаправленными или сплетены в ткань.

Плетение ткани, в свою очередь, может иметь много видов. Распространенными являются: плейн (plain) – полотняное, простое, плетение; твил (twill) – саржевое, диагональное плетение (елочка); сатин (satin) – гладкая, блестящая лицевая поверхность, на которой преобладают уточные нити.

Говоря об углепластике нельзя не затронуть следующее важнейшее преимущество перед другими материалами – анизотропность. В отличие от металлов, которые обладают изотропностью (т.е. независимостью свойств от направления), углеволокна имеют выраженную анизотропию, т.е. четкую зависимость своих физических свойств от направления. Это уникальное свойство можно использовать для придания конструкции требуемых характеристик. Используя ориентацию волокон в изделии при создании, например, велосипедной рамы из карбона, инженер может увеличить торсионную жесткость при этом сделать ее упругой и податливой к продольным нагрузкам. Это свойство позволит раме лучше гасить удары.

Кроме того, в отличие от металлов углепластик не ограничен свободой при выборе формы изделий. Если в металлической конструкции сложность формы ограничивается изгибами и соединениями (которые неизбежно снижают прочность и являются концентраторами нагрузки), то изделие из карбона может формоваться как единое целое, не зависимо от сложности конструкции. Это позволяет избежать появления слабых мест – концентраторов нагрузок, т.к. нагрузка распределяется по всей площади.

Также можно отметить отличные демпфирующие и фрикционные свойства углепластика. Благодаря последним, карбон все чаще используется в производстве сцеплений и тормозных механизмов hi-end класса.

Читайте также:  Тюменский лось» или «Тюменский медведь» Обзоры аккумуляторов на сайте интернет-магазина ЭнергоМет

Сочетание вышеперечисленных качеств делает этот удивительный материал незаменимым во многих отраслях. Не зря за последние десятилетия ассортимент изделий из карбона многократно вырос. Сегодня такие высокотехнологичные отрасли как космонавтика, авиация, профессиональный спорт невозможно представить без этого уникального, незаменимого, красивого материала. Материала настоящего и будущего – углепластика.

Карбоновые удилища. Вся правда о карбоне

1 мин

В последнее время, как только заходит речь об удилищах , сразу же вспоминают про различные аббревиатуры, которые характеризуют карбон, из которого сделаны удилища. 1К, 2К, 3К. «Это удилище из высокотехнологичного карбона», «Высококачественный карбон, делает удилище..», «Карбон, из которого сделан бланк, отвечает самым высоким требованиям» и так далее, и так далее. А что же скрывается за всей этой маркетинговой терминологией?

Что такое карбон?

Карбон — углерод, представляющий собой полимерный композиционные материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Отличается высоко прочностью и малой массой. Зачастую гораздо прочнее стали, но в разы легче. По удельным характеристикам превосходит многие высокопрочные стали.

Но отойдем в сторону от точных определений. Самое главное, что вы должны понимать в карбоне, что его на самом деле существует два вида: чистое углеродное волокно (оно же carbon fiber) и углепластик (полимер, усиленный углеродным волокном — carbon fiber reinforced polymer). Оба этих материала в быту называют карбоном, что, в конечном итоге, привело к тому, что понятия стали путать между собой.

Практически весь карбон, из которого делаются удилища получается из полиакрилонитрила (сокращенно ПАН) при помощи окислительного пиролиза и последующей обработки в инертном газе. Нити углерода получаются очень тонкие (ориентировочно 0,005-0,10мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать очень сложно. Из этих нитей и сплетаются ткани, из которых затем делаются бланки для удилищ.

Почему карбон так удобен для производстве удилищ?

Использование карбона позволяет достигнуть высокой прочности удилища, жесткости, при очень малом весе. Дело в том, что карбон является материалом, механические свойства которого зависят от направления волокон. Комбинируя их в различных направлениях, можно добиваться оптимальных характеристик различных изделий, будь то удилища или любое другой изделие. То есть, характеристики бланка зависят напрямую от того плетения, на которое пал выбор разработчиков удилища. Карбон позволяет добиться практически любой формы изделия, именно поэтому у инженеров куда больше возможностей и свободы в создании «идеального» удилища.

Из какого карбона лучше всего покупать удилища?

Это очень сложный вопрос. Определить на глазок что за карбон перед вами очень тяжело. Производители могут написать всякое. Единственный совет, который точно можно дать — это избегать различных дешевых «трехкопеечных» бланков непонятного производства. Остается только гадать откуда производитель берет этот материал. А самое главное, большинство рецептов карбонового волокна являются частной собственностью (запатентованными) и просто так ни одна фирма не расскажет вам состав.

Точно так же не стоит доверять различным рекламным лозунгам, что такая-то компания использует «особенный», «исключительный», «высокотехнологичный» и так далее карбон. Правда состоит в том, что две трети мирового рынка по производству карбона принадлежат трем японским фирмам — Toray (30%), Mitsubishi (18%), Toho (18%). За ними расположились такие фирмы, как венгерская Zoltek (17%), немецкая Hexcel (7%), американская Cytek (3%), на всех остальных приходится в общей сложности еще 6%.

Всего в год производится порядка 43,5 тысяч тонн карбона. Из них 41% — потребляет авиация, космическая и военные промышленности. 17% — спорт, 12% — строительство 12% — различные нужды, по 5%-6% автомобилестроение, гражданская инженерия и так далее. Не будем тонуть в цифрах.

Важно, что из всего оборота на спорт, рыбалка забирает не более 2-3%. Теперь вдумайтесь — если вы владеете инфраструктурой, позволяющей исследовать новые виды карбоновых волокон, чем вы займетесь — производством деталей для космической промышленности или для удилищ? Будете работать с 41% рынка или сосредоточитесь на двух процентах даже не от общего рынка, а от 1/5 этого рынка? Ответ очевиден, поэтому искренность заявлений производителей рыболовных аксессуаров касательно «уникального карбона» вызывает большие подозрения. Мы не беремся утверждать, правда это или нет. Мы просто даем пищу для размышлений.

Читайте также:  Закалка и отпуск стали Блог о контроле качества металла

Характеристики карбона

При получении карбона из поликарилонитрила, под микроскопом полученная нить будет напоминать ствол дерева. Плотный в центре, с шероховатой корой снаружи. Если продолжать очищать нить от «коры», то получится нить меньшего диаметра, но большей плотности. Соответственно на одну и ту же единицу площади поместится большее количество таких нитей, что позволит добиться не меньшей жесткости, но гораздо уменьшить вес. Производство таких тонких волокон сопряжено с большими издержками, потому что волокно получается хрупким и использовать его необходимо с большой осторожностью. Отсюда и высокая стоимость такого карбона. Однако очень эластичный карбон является очень хрупким материалом. Поэтому инженером постоянно приходится ломать голову, чтобы найти оптимальный баланс между прочностью и эластичностью. Это достигается уже при помощи рецепта карбонового волокна, в котором комбинируют несколько слоев карбона с различными характеристиками. Каждая такая комбинация и есть главная тайна и секрет любого удилища, да и просто изделия.

Теперь стоит поговорить о самых наших любимых характеристиках — 1К, 2К, 3К, которыми часто маркируют карбон. Подобная маркировка относится к плетению углеродного волокна. Нити собирают в полоски и эти полоски переплетают друг с другом. 1К означает, что в полосе 1000 нитей, 2К — 2000 нитей, а 3К — 3000 нитей. На самом деле эта характеристика никаким образом не является признаком тех или иных свойств самого волокна. Важно не количество нитей в полосе, а то, каким образом плетутся эти полосы, и из какого состава-рецепта сделаны волокна. А это уже зависит от производителя.

Вернемся к мировому рыболовному рынку!

Здесь все сурово. Подавляющее большинство удилищ, которые сегодня продаются в магазинах изготовлены в Азии, на фабриках, каждая из которых обслуживает сразу несколько брендов. Современные бренды, причем не только в рыболовной индустрии, в большинстве своем являются самыми настоящими маркетинговыми и инженерными центрами, но не производителями. Они заключает контракты с так называемыми Original Equipment Manufactures, если говорить по-русски, посредниками, отсылают им дизайн и желаемые характеристики, которые они хотят получить на выходе, а уже OEM несет ответственность за производство. Такие фабрики отправляют готовые удилища, на которых стоит Made in China, или же могут отправить удилище, которое будет еще доведено до ума. Во втором случае вы можете зачастую видеть заветные Made in UK, Made in Germany и так далее.

Вполне распространенная практика, когда сразу несколько компаний работает с одной и той же фабрикой. Но также и бывает масса случаев, когда один бренд работает с несколькими OEM, когда хочет производить несколько видов удилищ.

Но это вовсе не означает, что вас обманывают. Как раз нет. Ведущие бренды отдают процесс производства карбоновых удилищ в руки профессионалов, которые занимаются только плетением карбоновых волокон и изделиями из карбона. Конечно, это все стоит денег, и увеличивает цену исходного продукта. Теперь представим ситуацию, когда вы покупаете вроде бы карбоновое удилище, которое стоит ну совсем дешево.

Сразу можете убрать отсюда работы по инженерным расчетам и дизайнеров. Вам просто продают готовую, стандартную заготовку, уберите затраты на маркетинговые исследования и сертификацию производства (самый главный признак отсутствия контроля качества) и так далее.

Репутационные риски заставляют известные бренды подходит крайне ответственно к вопросу качества, тогда как никому неизвестные производители подобных рисков вообще не имеют. Ну закрыл ты эту фирму, открыл завтра новую. Вот и все дела. Вы никогда не узнаете какие конкретно материалы были использованы, какая смола, что ожидать от удилища. Если вы считаете данный риск оправданным низкой ценой, конечно, покупайте. Но разве много у нас людей осознают эти риски? Надеемся, что после прочтения данной статьи, их число хотя бы немножко увеличится.

Полное или частичное копирование без согласования с редакцией портала запрещено

Кратко о композитных изделиях из стеклопластика и углепластика

Часть 1. Поскольку статья получилась внушительных размеров, разбили ее на две части. В данной части затрагиваются вопросы свойствах и преимуществах изделий из стеклопластиков и углепластиков, поскольку на сегодняшний день изделия из композитных материалов приобретают все большую популярность и распространенность в различных сферах деятельности начиная от изделий для повседневного быта и заканчивая атомными станциям.

Читайте также:  Пшеничная каша, как правильно сварить рассыпчатую кашу 5 способов варки

ОПИСАНИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ И УГЛЕПЛАСТИКОВ:

Стеклопластик/углепластик — композитный материал, который состоит из наполнителя в виде стеклянных либо угольных нитей, жгутов (так называемого роввинга), тканей и матов, связующим которого выступают синтетические полимерные смолы. Так же распространено применение рубленого волокна.

Основными полимерными смолами в качестве связующего выступают:
полиэфирные смолы
феноло-формальдегидные смолы
эпоксидные смолы
кремний-органические смолы
полиимиды
алифатические полиамиды
поликарбонаты
и др.

СВОЙСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКОВ И УГЛЕПЛАСТИКОВ:

Для стеклопластиков и углепластиков свойственна комбинация высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферной, водной и химической стойкости. Характеристики наполнителя, стабильность его связей со связующим, а также температура обработки и эксплуатация изделия по большей части определяет механические свойства готового продукта.
Внушительными прочностными характеристиками и твердостью, обладают такие изделия из стеклопластиков и углепластиков, которые содержат ориентированно расположенные непрерывные волокна.

Стеклопластик и углепластик характеризуется крайне ценными свойствами, которые по праву дают ему им возможность называться одним из материалов будущего. Далее мы перечислили, некоторые из них:

Удельный вес стеклопластиков колеблется от 1,6 до 2,1 г/см3, углепластики могут быт еще легче вплоть до 1,5 г/см3. Один из наиболее легких металлов алюминий, имеет удельный вес 2,7 г/см3, а удельный вес стали значительно превышает эти отметки, и составляет – 7,8 г/см3.
Получается, что при такой разнице в весе по отношению к металлам и имея высокие прочностные показатели, композитные изделия из стеклопластиков и углепластиков могут значительно снизить потребление энергии за счет снижения веса к примеру того же самого электро-автомобиля, а об эффективности применения композитов в летательных аппаратах от БПЛА до Космических аппаратов!

Немаловажным фактором низкого веса изделий является и снижение логистической нагрузки, к примеру композитные перильные ограждения из стеклопластика гораздо легче аналогичных изделий из металла, при этом по прочностным характеристикам совершенно им не уступают, а в отношении эксплуатационных показателей, гораздо превышают их.

Стеклопластики обладают хорошими показателями электроизоляционной защиты, поэтому сейчас их активно применяют в различных отраслях энергетики, примером таких изделий служат стеклопластиковые кабельные лотки.

Углепластик напротив является хорошим токопроводником, поэтому получил распространение в нагревательных элементах, в том числе походного типа, самая обычная верхняя одежда с вшитыми тонкими пластинами углепластика подключенного к переносному источнику питания позволяет поддерживать на достаточно долгом уровне тепло!

Применение ряда полиэфирных смол позволяют получить изделия из стеклопластиков и углепластиков стойких к различным агрессивным средам, в том числе к воздействию концентрированных кислот и щелочей. Примером применения служат композитные лестничные трапы для химических производств и система

Окрашивание стеклопластиковых изделий происходит в момент формирования изделия, применение дополнительных стабилизаторов и устойчивых к УФ излучению красителей позволяют сохранять цвет изделия в течении долгого времени.

Углепластик по определению естественно черный.

При своем малом весе, стеклопластик характеризуется высокими физико-механическими свойствами.

Стеклопластиковые изделия сами по себе обладают низкой теплопроводностью, однако и их теплоизоляционные свойства можно повысить путем изготовления конструкции типа «сендвич», используя пористые материалы типа пенопласта. Благодаря такой комбинации можно добиться дополнительно еще и снижения звукопроницаемости.

Существует множество способов и технологий для производства изделий из стеклопластика, одни требуют достаточно серьёзных первоначальных вложений, в другие почти не придется вкладываться. К примеру при ручном формовании изделий из стеклопластика требуется матрица и небольшой набор ручных инструментов. При этом матрица может быть изготовлена практически из любого материала начиная от дерева и заканчивая металлом. В данном случае при выборе материала изготовления необходимо лишь понимать, какое кол-во изделий вы собираетесь снять с одной оснастки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector